架构 ｜ 青训营笔记

Twenming
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这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 16 天

架构，又称软件架构，

  • 是有关软件整体结构与组件的抽象描述
  • 用于指导软件系统各个方面的设计

实现一个软件有很多种方法，架构在方法选择上起着至关重要的指导作用

什么是架构 - 单机

软件系统需要具备对外提供服务，单机，就是把所有功能都实现在一个进程里，并部署在一台机器上

优点：

  • 简单

问题：

什么是架构 - 单体、垂直应用｜垂直切分

单体架构：分布式部署

垂直应用架构：按应用垂直切分的单体

优点：

  • 水平扩容
  • 运维不需要停服

问题：

  • 职责太多，开发效率不高
  • 爆炸半径大

什么是架构 - SOA、微服务｜水平切分

SOA 架构中，服务为一等公民，将进程按照不同的功能单元进行抽象，拆分为『服务』。有了服务之后，SOA 还为服务之间的通信定义了标准，保证各个服务之间通讯体验的一致性。

SOA（Service-Oriented Architecture）

  1. 将应用的不同功能单元抽象为服务
  2. 定义服务之间的通信标准

微服务架构：SOA的去中心化演进方向

企业后端架构剖析 - 云计算

云计算：是指通过软件自动化管理，提供计算资源的服务网络，是现代互联网大规模熟悉分析和存储的基石。

基础：

  • 虚拟化技术 - 整租 vs 合租

    • 硬件层面（VM 虚拟机）- KVM/Xen/VMware
    • 操作系统层面（Container 容器）- LCX/Docker/Kata Container
    • 网络层面 - Linux Bridge/Open v Switch

  • 编排方案 - 业主 vs 租赁平台

    • VM - OpenStack/VMWare Workstation
    • Container - Kubernetes/Docker Swarm

架构：

  • IaaS（Infrastructure as a Service)

    • 云基础设施，对底层硬件资源池的抽象
    • 买房子 vs 房屋租赁平台

  • PaaS（Platform as a Service）

    • 基于资源池抽象，对上层提供的弹性资源平台
    • 清包 vs 全包

  • Saas（Software as a Service）

    • 基于弹性资源平台构建的云服务
    • 从零培训 vs 雇佣培训过的师傅

  • FaaS（Function as a Service）

    • 更轻量级的函数服务。好比 LeetCode 等 OJ，刷题时只需要实现函数，不需要关注输入输出流
    • 纯手工制作 vs 蛋糕机批量生产

企业后端架构剖析 - 云原生

云原生技术为组织（公司）在公有云、自由云、混合云等新型的动态环境中，构建和运行可弹性拓展的应用提供了可能。

  • 弹性资源

    • 虚拟化容器 - 计算资源
    • 快速扩缩容 - 存储资源

  • 微服务架构

    • 业务功能单元解锁
    • 统一的通信标准

  • DevOps

    • 敏捷开发
    • CI/CD

  • 服务网格

    • 业务与治理解构
    • 异构系统的治理统一化
    • 复杂治理能力

弹性资源

基于虚拟化技术，提供的可以快速扩缩容的能力。可以分为弹性计算资源和弹性存储资源两个方面。

弹性计算资源类型：

  • 服务资源调度

  • 计算资源调度

    • 在线计算 - 互联网后端服务
    • 离线计算 - 大数据分析。Map-Reduce/Spark/Flinnk

  • 消息队列

    • 在线队列 - 削峰、解耦
    • 离线队列 - 结合数据分析的一整套方案，如 ELK

弹性存储资源类型：

  • 经典存储

    • 对象存储 - 视频、图片等。结合 CDN 等技术，可以为应用提供丰富的多媒体能力
    • 大数据存储 - 应用日志、用户数据等。结合数据挖掘、机器学习等技术，提高应用的体验
  • 关系型数据库

  • 元数据

    • 服务发现

  • NoSQL

    • KV 存储 - Redis
    • 文档存储 - Mongo

DevOps

DevOps 是云原生时代软件交付的利器，贯穿整个软件开发周期。

结合自动化流程，提高软件开发、交付效率

微服务架构

通信标准：

  • HTTP（RESTful API）
  • RPC（Thrift，gRPC）

如何在 HTTP 和 RPC 之间选择？

  • 性能 - RPC 协议往往具备较好的压缩率，性能较高。如 Thrift, Protocol Buffers
  • 服务治理 - RPC 中间件往往集成了丰富的服务治理能力。如 熔断、降级、超时等
  • 可解释性 - HTTP 通信的协议往往首选 JSON，可解释性、可调试性更好

云原生场景下，微服务大可不必在业务逻辑中实现符合通信标准的交互逻辑，而是交给框架来做。

服务网格（Service Mesh）：

  • 微服务之间通讯的中间层
  • 高性能网络代理
  • 业务代码与治理解耦

相比较于 RPC/HTTP 框架：

  • 实现了异构系统治理体验的统一化
  • 服务网格的数据平面代理与业务进程采取进程间通信的模式，使得流量相关的逻辑（包含治理）与业务进程解耦，生命周期也更容易管理

企业后端架构的挑战

挑战

  • 基础设施层面：

    • 物理资源是有限的

      • 机器
      • 带宽

    • 资源利用率受制于服务部署

  • 用户层面：

    • 网络通信开销较大
    • 网络抖动导致运维成本提高
    • 异构环境下，不同实例资源水位不均

离在线资源并池

核心收益：

  • 提高物理资源利用率
  • 提供更多的弹性资源，增加收入

解决思路：离在线资源并池

  • 在线业务的特点

    • IO 密集型为主
    • 潮汐性、实时性

  • 离线业务的特点

    • 计算密集型占多数
    • 非实时性

自动扩缩容

核心收益：

  • 降低业务成本

解决思路：自动扩缩容

  • 利用在线业务潮汐性自动扩缩容

微服务亲和性部署

核心收益：

  • 降低业务成本
  • 提高服务可用性

解决思路：微服务亲和性部署

  • 将满足亲和性条件的容器调度到一台宿主机
  • 微服务中间件与服务网格通过共享内存通信
  • 服务网格控制面实施灵活、动态的流量调度

流量治理

核心收益：

  • 提高微服务调用容错性
  • 容灾
  • 进一步提高开发效率，DevOps 发挥到极致

解决思路：基于微服务中间件 && 服务网格的流量治理

  • 熔断、重试
  • 单元化
  • 复杂环境（功能、预览）的流量调度

CPU水位负载均衡

核心收益：

  • 打平异构环境算力差异
  • 为自动扩缩容提供正向输入

解决思路：CPU水位负载均衡

  • IaaS

    • 提供资源探针

  • 服务网格

    • 动态负载均衡
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